加大车轮

作者:Mike McLeod,美国Henderson,Accuride Corporation高级项目工程师

北美商用卡车行业面临众多方面的挑战,包括需要以更低成本和更低油耗运输更多负载物,从而达到持续提高效率的目标。为了满足该需求,部分货运车队采用宽车轮方案,这与传统的双车轮配置相比,不仅能减轻重量,而且还会降低滚动阻力。Accuride近年来采用ANSYS仿真工具将Duplex®宽幅车轮的重量减轻23%以上,使卡车司机能够节省更多燃油。

Save PDF 订阅
Wheel strain contour

“需要减轻重量和节省燃油的商用卡车公司正在考虑通过采用单个宽幅车轮取得优势。”

wheel FEA model

大部分商用卡车的驱动轴和拖车轴上都采用两个22.5 x 8.25英寸车轮组成的车轮组,每个车轮组均安装有两个轮胎。需要减轻重量和节省燃油的商用卡车公司正在考虑采用单个22.5 x 14.0英寸宽幅车轮来替代传统的双车轮配置,从而获得优势。宽幅车轮能够将滚动阻力减小约30%,节省高达10%的燃料消耗。此外,宽幅车轮比它们所替换的双车轮的重量也减轻了不少。另外,所采用的单个宽幅轮胎也比两个标准尺寸的轮胎重量要轻。Accuride采用ANSYS仿真工具为卡车司机提供进一步的节省,能将当前设计中宽幅铝锻轮毂的重量从71磅减轻至55磅,这使得普通的拖拉机拖车又能额外降低128磅的重量。

商用卡车轮毂通常由钢和锻造铝制成。材料和工艺相对比较基础,不过,要实现持久耐用的产品,材料和工艺上不起眼的细节却能起到决定性的作用。为了确保这些车轮稳定可靠,工程师需要应对金属疲劳和断裂这样的结构挑战,其中包括标准循环疲劳、微动疲劳、焊接疲劳以及裂纹扩展等。车轮上的主载荷来自轮胎,仅凭高达131psi的轮胎压力,轮胎就会施加非常高的轴向和径向载荷。此外,每个14英寸宽的轮毂都必须承载车重产生的12,800磅载荷,而且车轮在车辆行驶时还要旋转。此外,侧面载荷与冲击载荷也会增大金属疲劳问题,并且最终对环境造成影响。更快的循环测试和安全系数会使轮胎的设计载荷翻番。预测疲劳寿命极具挑战性,这是因为疲劳寿命与材料应力之间的关系是非线性的,而且有很多因素都会影响裂纹的产生。通常,设计或工艺上的小小变更就会对车轮的实际性能产生显著影响。

Wide-base wheel
^ 新型宽幅轮毂
Two-wheel set
传统双车轮组

确保可靠性

Accuride直到达到最高测试标准之后才会发布车轮设计方案。商用车轮设计一般依照SAE标准进行测试。这些测试标准包括车轮和轮胎装配体的直线滚动,以及在指定循环次数内提高载荷并对轮毂进行旋转弯曲测试。考虑到测试过程中的潜在可变性,Accuride需要远远超过业界标准,才能确保可靠性。物理测试的成本非常高昂而且极为耗时。为了生成足够多用于设计验证的样本,必须为每个要测试的原型量身研发专用的工具和制造工艺。原型的构建和测试需要花费数周乃至数月的时间。如果所有样本都没有通过规范测试,那么就要重新开始新的设计迭代过程,重新做样本和测试,进而延后产品发布。因此,尽可能减少设计迭代是管理研发成本和实现产品上市目标的关键所在。

作为设计过程的重要部分,还应该验证制造工艺是否能反复创建具有最小差别的产品。潜在的差异必须得到控制,这包括几何模型和制造工艺的各个方面。制造工艺对车轮的实际性能具有重大影响。在设计阶段的初期,就必 须要兼顾到这些处理带来的影响。如果不能控制好制造过程,就意味着要进行工艺更改或是可能需要重新设计产品。

“通过充分利用ANSYS Workbench环境建立相应工作流程,这样每次分析迭代时只需更改输入的几何模型即可。”

预测疲劳性能

Accuride Duplex wide-base wheel
Accuride 22.5 x 14.0 Duplex® 宽幅轮毂

对于承受疲劳载荷的安全关键型组件而言,要想不断改善其性能,需要深入了解产品载荷以及制造工艺产生的影响。为了对不同负载条件下的应力与应变进行初步评估,Accuride的一位工程师在ANSYS Workbench中使 用ANSYS Mechanical构建标准的有限元模型(FEM),并与参数化CAD模型实现集成,从而能够在初始阶段就轻松评估多种设计方案。随着设计不断往前推进,需要采用ANSYS nCode DesignLife来预测裂纹的形成。ANSYS应力与应变预测结果可直接传递到ANSYS nCode DesignLife中的自定义疲劳分析模板设置。而这个nCode DesignLife组件之所以至关重要,是因为疲劳问题由应力历史以及包括最大应力值在内的其它因素决定。

采用疲劳寿命预测完成初步设计工作后,Accuride的工程师可以开始实施更高级的优化方法来进一步减轻重量,并尝试保持最小化的预期疲劳。优化过程类似于初步设计工作,不同之处在于 ANSYS Workbench 系统进行了参数化,包括输入与输出变量。建立多种参数组合的表格,并以批处理模式进行求解,以评估每种参数的敏感度。一旦确定了关键参数,就能利用ANSYS DesignXplorer 工具,通过试验设计(DOE)法进一步优化设计。

Accuride车轮分析过程分为多个阶段。评估和优化不同设计方案可能需要耗费大量的时间,而利用ANSYS Workbench 环境则能建立相应工作流程,这样每次设计迭代时只需要更改输入的几何模型即可。此外,ANSYS ACT还能帮助Accuride进一步加强分析过程,以便将更多时间用于检查结果,而非用于构建模型。

通过仿真技术对最终设计方案进行验证,并专注于模型质量和设计细节。高级网格控制和质量检查能够确保关键区域的网格质量。子模型技术能在接触边缘等位置实现更详细的细节。

Wide-base wheels

结果

近年来,采用ANSYS软件以及内部研发的分析方法,Accuride的工程师已将22.5 x 8.25英寸标准锻造铝轮毂的重量锐减25%,将22.5 x 14.0英寸宽幅Duplex®设计方案的重量锐减23%。

除了满足客户的轻量化目标,进而提高燃料经济性和载荷之外,产品重量的减轻还能帮助Accuride节省原材料,抵消生产成本的增加,从而保持竞争力。

随着商用卡车轮毂的结构复杂性与设计挑战不断加大,Accuride的工程师不懈努力,正在利用ANSYS Workbench 环境的功能以及与ANSYS nCode DesignLife等专业代码的集成,研发更高级的分析方法。借助这些新工具,Accuride将持续改善他们的设计方法,以更快的速度研发出可靠创新的卡车车轮技术。

与 ANSYS 取得联系

联系我们
联系我们